corrigé 2005 - Académie de Rouen

Olympiades de la chimie
Académie de Rouen
Concours régional
2005
QUESTIONNAIRE
Le thème de ce questionnaire est :
CHIMIE et HABITAT
La durée de l'épreuve est de 2 heures
 Informations importantes 
Ce questionnaire est composé d'une succession de lectures, de questions et de
petits exercices.
Il est important de traiter le maximum de questions.
Les questions et exercices sont repérés par leur numérotation chiffrées : "I.1 etc. ".
Seule la liasse de "feuilles de réponses" devra être rendue à la fin de
l'épreuve.
Vous devez l'utiliser pour y inscrire les réponses aux questions posées.
 Ce questionnaire sera conservé par le candidat.
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Le thème des olympiades est cette année chimie et habitat.
Si l'on a une petite idée de ce que peut couvrir la chimie, quelle signification
donne-t-on au mot "habitat" ?
L'habitat est tout d'abord le milieu géographique qui réunit les conditions nécessaires à
la vie d'une espèce animale ou végétale.
L'habitat, c'est aussi la manière dont l'homme aménage les lieux où il vit.
La chimie va jouer, directement et indirectement un rôle important dans l'habitat :
Elle est présente dans les matériaux de construction, d'étanchéité et d'isolation.
Elle intervient souvent de manière très discrète, pour rendre plus confortable les
lieux choisis par l'homme pour y vivre.
L'habitat c'est aussi le développement durable avec tous les faits d'éducation qui s'y
attachent ; à défaut, l'habitat devient précaire et l'habitant doit migrer vers des sites
plus favorables à sa survie.
La chimie va être utilisée pour permettre de qualifier l'habitat de salubre ou
d'insalubre.
La chimie a donc une incidence quotidienne sur notre habitat, parfois négative
(pollution) mais souvent positive (confort – assainissement). C'est ce que nous allons
essayer de mettre en évidence au travers de ce questionnaire.
Mais en fin de compte, que faut-t-il à un lieu pour qu'il soit qualifié d'habitat par
l'homme ?
Tout d'abord un abri, si possible solide, sec et bien isolé.
Et des conditions favorables à la vie : de l'eau potable, de l'énergie, de la
nourriture.
Un peu de confort
Pour chacun de ces items, la chimie est présente.
I.
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II. Un toit pour s'abriter.
Après avoir mangé à notre faim, un toit pour s’abriter est le premier de nos soucis,
surtout s'il pleut.
Les premiers humains (ainsi que les ours) ont colonisés toute sortes d'abris naturels, en
particulier les grottes que l'on rencontre plus fréquemment dans les roches calcaires
qu'ailleurs.
Aujourd'hui encore l'habitat troglodyte se rencontre sur les falaises calcaires.
Vous vous demandez ce que la chimie peut bien avoir à faire avec les grottes !
Et à votre avis, qui les a creusées ?
Un peu de chimie bien sur !
De part leur nature, les ions calcium [Ca2+] et les ions carbonate [CO32-] ont toujours
manifesté une grande affinité à coexister à l'état solide.
En Normandie, nous en avons la preuve tous les jours lorsque l'on fait bouillir l'eau du
robinet et beaucoup de crustacés s'en portent bien.
Il nous reste à expliquer comment un peu de chimie est capable de creuser une grotte
dans une roche calcaire.
II.1 Pour commencer un petit compte rendu d'expérience :
Dans un tube à essai, on place un petit morceau de marbre. On ajoute ensuite un
volume raisonnable d'acide chlorhydrique à 2 moles par litre.
Immédiatement on observe une effervescence signe d'un dégagement
gazeux important.
Notre premier soucis est de placer un bouchon muni d'un tube de
garde contenant une solution concentrée de chlorure de calcium ou
bien une solution d'eau de chaux. (voir le schéma ci-contre).
Dans le tube de garde on observe d'abord un précipité blanchâtre puis
après quelques instants le précipité se dissous et la solution redevient
limpide.
Fin du compte rendu.
II.1.1 Quel est le constituant principal du marbre ?
Na2HPO4
CaCO3
MgSO4
Al2O3
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✘

II.1.2 Quel gaz se dégage lorsque l'on verse la solution de HCl sur le marbre ?
Le dioxyde de carbone CO2..
Ecrire l'équation de réaction associée à cette transformation.
CaCO3 (s) + 2 H3O+ + 2 Cl-(aq) Ca2+(aq) + 2 Cl-(aq) + 3 H2O + CO2 (g)
II.1.3 Quelle est la composition du précipité observé ?
CaCO3 (s) le carbonate de calcium
Ecrire l'équation de réaction de précipitation.
Ca2+(aq) + 3 H2O + CO2 (g) CaCO3 (s) + 2 H3O+
II.1.4 Lors de la réaction de précipitation, la solution de chlorure de calcium devient-elle
:
Plus acide ?
plus basique ?
reste neutre ?
II.1.5 Pour quelle raison observe t'on la dissolution du précipité ?
Il fond .
Il réagit avec le CO2 (g).
Il s'oxyde au contact de l'air.
Il est réduit par l'eau.
II.1.6 Compléter l'équation bilan de la réaction de dissolution du précipité formé dans la
phase initiale ?
CaCO3 (s) + CO2 (g) + H2O(l) 2
-
3
HCO
(aq) + Ca2+(aq)
II.1.7 Nommer l'espèce carbonée soluble formée lors de cette réaction.
L’ion hydrogénocarbonate
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✘
✘

II.1.8 Un peu de calcul :
On donne l'expression de la constante d'équilibre de la réaction de dissolution du
précipité :
Keq. =
[ ]
[ ]
[ ]
dissous 2
-2
3
-
3
COCO
HCO
×
2
II.1.8.a Montrer que l'on peut l'exprimer en fonction des KA de "l'acide carbonique"
Donner l'expression des KA de "l'acide carbonique"
K dissous COA 2=
[ ] [ ]
[ ]
dissous 2
3
-
3
CO
OHHCO + ×
K -
3
HCO A =
[ ] [ ]
[ ]
-
3
3
-2
3
HCO
OHCO + ×
Keq. =
[ ] [ ] [ ]
[ ] [ ] [ ]
dissous 2
3
-2
3
3
-
3
-
3
COOHCO
OHHCOHCO ×× ×× +
+
=
-
3
2
HCO A
dissous CO A
K
K
Les Ka de l'acide carbonique valent :
K dissousCO A 2=
4.10-7 ;
K -
3
HCO A =
5.10-11 ;
II.1.8.bCalculer la valeur de cette constante d'équilibre de la réaction de dissolution du
précipité.
II.2 Deuxième partie : la formation des grottes
- Dans la nature, les grottes et voies d'eau souterraines se sont formée selon un processus
similaire. On veut bien entendu parler de la dissolution du carbonate de calcium, car
chacun sait que les épaisses couches de calcaire que l'on rencontre ça et là on été
formée par des sédiments de nature animale.
En ces temps là, l'activité volcanique, les forêts qui brûlaient, bien plus que l'activité
humaine, chargeaient de CO2 l'eau de pluie.
Celle-ci en s'infiltrant dans les roches calcaires y solubilise, lentement mais sûrement, le
CaCO3.
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Keq. = 8.103